大采高综采面小煤柱留设及巷道支护设计方案研究

时间：2021-04-16 10:41:42 所属分类：矿业工程 浏览量:

为了确保综采作业过程中巷道及煤层的稳定性，通常会在井下留设大量煤柱控制巷道围岩的变形量，但煤柱预留量越多，对井下巷道支护和回采率会产生越不利的影响，导致支护结构复杂，支护效率和煤炭回采率降低。近年来随着小煤柱留设支护技术的不断发展，井下煤

　　为了确保综采作业过程中巷道及煤层的稳定性，通常会在井下留设大量煤柱控制巷道围岩的变形量，但煤柱预留量越多，对井下巷道支护和回采率会产生越不利的影响，导致支护结构复杂，支护效率和煤炭回采率降低。近年来随着小煤柱留设支护技术的不断发展，井下煤柱留设的宽度不断减小，显著提升了煤炭回采率和井下巷道支护效率。但在应用中发现，在大采高工作面井下巷道和围岩结构相对复杂、稳定性较差，留设煤柱宽度的减小将导致巷道围岩的变形量加大，不但严重威胁了井下综采作业安全，而且需增加大量的补强支护，降低了煤矿井下的综采效率[1]。本文提出了大采高综采面小煤柱留设和巷道支护设计方案。实际应用表明，大采高综采面的小煤柱留设宽度为6m时围岩承载能力最强，变形量最小。通过对巷道支护设计方案的优化，能将巷道支护效率提升11.4%，将巷道围岩变形量减少60%以上，综采效率提升了6.4%，有效解决了大采高综采面情况下巷道稳定性差、综采效率低下的难题。

　　1小煤柱留设宽度的确定

　　赵庄矿大采高综采面的长度为1162mm，煤层平均厚度为7.2m，煤层平均倾斜角为26.7°，平均综采深度约为891m。综采面直接顶是平均厚度3.4m的砂质泥岩，基本顶是平均厚度9.2m的细砂岩，直接底是平均厚度1.95m的砂岩。由于煤柱保持顶板稳定的核心在于要保证煤柱内部有弹性核区，在对小煤柱留设宽度进行设计时，要保证煤柱两侧的变形区域尺寸不能大于煤柱总宽的2/3，否则将导致煤柱完全塑性破坏，无法承受矿压波动时的冲击。(1)式(1)中，H为综采面煤层厚度，取7.2m;σ为矿压波动情况下的压力系数，取0.43;φ0为预留煤柱和煤层的平均接触角，取30°;k为矿压波动情况下的压力集中系数，取3.9;ρ为顶板的密度，取2.4t/m3;g为重力加速度，取9.8N/kg;h为井下综采面的深度，取891m;α为巷道井下煤层平均倾角，取26.7°;C为煤柱承压时的内聚力，取3.1MPa;P为煤帮的支护阻力，取0N。由实际参数计算可知，B1=3.38m。井下煤柱的留设宽度B可表示为：(2)式(2)中，B2为煤柱侧锚杆的长度，取2.1m;B3为煤柱中间弹性区宽度，取0.2(B1+B2)。由此可知：B=B1+B2+B3=3.38+2.1+1.096≈6.58m。为了验证上述计算公式的运算准确性，利用模拟分析的方法，对不同煤柱宽度情况下的应力变化、围岩变形情况进行分析，结果如图1所示。由图1a)可知，矿压波动下作用在煤柱内的应力随着煤柱宽度的增加先升高然后慢慢降低，当煤柱宽度为4m时，矿压波动下煤柱内的应力最低，其最大值约为7.52MPa。当煤柱宽度为5m，6m，7m时，作用在煤柱内的应力最大值分别为16.4MPa，18.1MPa，19.2MPa，比较接近于围岩的原有应力，此情况下可保证在煤柱内具有一定的弹性变形能力。当煤柱宽度超过7m以后，在矿压波动下煤柱内的应力值可达55MPa以上，会在煤柱内部产生较大的应力集中，影响煤柱承载的稳定性，而且煤柱宽度增加会导致井下回采率降低，不利于综采效率的提升。因此煤柱宽度为5m，6m，7m比较符合井下的实际情况。由图1b)可知，随着煤柱宽度的增加，在矿压波动下实体煤帮、顶板、底板、煤柱帮的变形量均随着煤柱宽度的增加先变小然后逐渐变大，当煤柱宽度为6m时实体煤帮、顶板、底板、煤柱帮均具有最小的变形量，分别为372mm，262mm，248mm，439mm。综上分析，当煤柱宽度小于7m时，能不产生应力集中，但当煤柱宽度为4m时巷道围岩的变形量较大，影响支护稳定性，因此煤柱宽度应设置在6m左右，从而保证有最小的围岩变形量，提高巷道稳定性，实际分析结果和理论计算结果基本一致。

　　2巷道支护结构优化

　　针对大采高综采面在小煤柱情况下支护结构复杂、效率低的问题，结合理论分析结果，提出了采取高预应力锚杆、索联合支护的方式[3]，支护结构如图2所示。在优化后的支护结构中，锚杆均采用了无纵筋高强度钢管，锚杆直径为18mm，锚杆长度为2.2m，各个锚杆之间的距离设置为1000mm×900mm。为了改善煤柱顶角处在应力集中情况下易垮塌的现状，在该处设置了W型钢护板进行保护。在综采面侧帮处的锚杆设置了钢筋托梁加固[4]，其他位置的锚杆和托板则通过钢筋托梁进行连接，形成组合构件，各个锚杆的预紧力矩不小于400N·m。支护系统中锚索的布置采用了每组2根的形式，锚索直径为17.6mm，长度为6.2m，每根锚索的预紧拉力不小于150kN。该支护方案的优点是在不同的区域采用了不同的支护方案，对重点区域进行重点支护，对稳定区域适当减少支护构件数量，从而达到降低材料成本、提高支护效率、保证支护稳定性的目的。

　　3应用效果分析

　　为了对该大采高工作面小煤柱宽度选择和巷道支护的应用情况进行验证，在井下巷道内布置多个监测点，对综采面综采期间巷道围岩的变形情况和综采效率进行对比分析。优化后巷道围岩的变形情况如图3所示。由图3可知，优化后，井下巷道顶板的最大变形量约为89mm，比改善前降低了66%;煤帮的最大变形量约为98mm，比改善前降低了76.3%;底板的最大变形量约为89mm，比改善前降低了60.4%;实体煤帮的最大变形量约为66mm，比改善前降低了84.9%。由此可知，改善后巷道围岩的稳定性得到了显著提升，同时根据实际监测，新的支护方案能将巷道支护效率提升11.4%，综采效率提升6.4%以上。

　　4结语

　　针对大采高工作面围岩控制困难，顶板变形量大，工作面帮内移动量大，给矿井下的综采效率和综采安全带来严重不利影响的情况，提出了大采高工作面小煤柱留设及巷道支护设计方案。实际应用表明：a)当煤柱宽度小于7m时能不产生应力集中，但当煤柱宽度为4m时巷道围岩变形量极大，影响支护稳定性，因此煤柱宽度应设置在6m左右，从而保证有最小的围岩变形量，提高巷道稳定性;b)新的井下支护方案能对重点区域进行重点支护，对稳定区域适当减少支护构件数量，从而实现降低材料成本、提升支护效率的目的;c)优化后，井下巷道顶板的最大变形量比优化前降低了66%，煤帮的最大变形量比优化前降低了76.3%，底板的最大变形量比优化前降低了60.4%，实体煤帮的最大变形量比优化前降低了84.9%;d)新的支护方案能将巷道支护效率提升11.4%，综采效率提升6.4%以上，具有极大的应用推广效果。

　　参考文献：

　　[1]范华霄.大采高综放窄煤柱回采巷道围岩控制技术及效果分析[J].矿业安全与环保，2018，45(3)：94-97.

　　[2]汪占领，孟宪志.特厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究[J].中国煤炭，2017，43(4)：58-61.

　　[3]代进，王春耀，李逢祥.大采高小煤柱沿空巷道大变形机理与支护技术研究[J].煤炭工程，2018，50(3)：37-41.

　　[4]诸葛长华.深井小煤柱沿空掘巷整体耦合让压支护实践研究[J].矿业安全与环保，2017，44(3)：58-61.

　　《大采高综采面小煤柱留设及巷道支护设计方案研究》来源：《能源与节能》，作者：封文茂

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